Abstract To understand how pharmacological interventions can exert their powerful effects on brain function, we need to understand how they engage the brain’s rich neurotransmitter landscape. Here, we bridge microscale molecular chemoarchitecture and pharmacologically-induced macroscale functional reorganisation, by relating the regional distribution of 19 neurotransmitter receptors and transporters obtained from Positron Emission Tomography, and the regional changes in functional MRI connectivity induced by 10 different mind-altering drugs: propofol, sevoflurane, ketamine, LSD, psilocybin, DMT, ayahuasca, MDMA, modafinil, and methylphenidate. Our results reveal that psychoactive drugs exert their effects on brain function by engaging multiple neurotransmitter systems. The effects of both anaesthetics and psychedelics on brain function are organised along hierarchical gradients of brain structure and function. Finally, we show that regional co-susceptibility to pharmacological interventions recapitulates co-susceptibility to disorder-induced structural alterations. Collectively, these results highlight rich statistical patterns relating molecular chemoarchitecture and drug-induced reorganisation of the brain’s functional architecture.

Abstract The entorhinal-hippocampal circuit is a strategic hub for memory but also the first site to be affected in the Alzheimer’s Disease (AD)-related pathology. We investigated MRI patterns of brain atrophy and functional connectivity in a study cohort obtained from the Alzheimer’s Disease Neuroimaging Initiative database including healthy control (HC), Mild Cognitive Impairment (MCI), and AD subjects. MCI individuals were clinically evaluated 24 months after the MRI scan, and the group further divided into a subset of subjects who either did (c-MCI) or did not (nc-MCI) convert to AD. Compared to HC subjects, AD patients exhibited a collapse of long-range connectivity from the hippocampus and entorhinal cortex, pronounced cortical/sub-cortical atrophy, and a dramatic decline in cognitive performances. c-MCI patients showed entorhinal and hippocampal hypo-connectivity, no signs of cortical thinning but evidence of right hippocampus atrophy. On the contrary, nc-MCI patients showed lack of brain atrophy, largely preserved cognitive functions, hippocampal and entorhinal hyper-connectivity with selected neocortical/sub-cortical regions mainly involved in memory processing and brain meta-stability. This hyper-connectivity can represent an early compensatory strategy to overcome the progression of cognitive impairment. This functional signature can also be employed for the diagnosis of c-MCI subjects.

Abstract Excitotoxicity is a form of neuronal death characterized by the sustained activation of N-methyl-D-aspartate receptors (NMDARs) triggered by the excitatory neurotransmitter glutamate. NADPH-diaphorase neurons [also known as nNOS (+) neurons] are a subpopulation of aspiny interneurons, largely spared following excitotoxic challenges. Unlike nNOS (-) cells, nNOS (+) neurons fail to generate reactive oxygen species in response to NMDAR activation, a key divergent step in the excitotoxic cascade. However, additional mechanisms underlying the reduced vulnerability of nNOS (+) neurons to NMDAR-driven neuronal death have not been explored. Using functional, genetic, and molecular analysis in striatal cultures, we demonstrate that nNOS (+) neurons possess distinct NMDAR properties. These specific features are primarily driven by the peculiar redox milieu of this subpopulation. In addition, we found that nNOS (+) neurons exposed to a pharmacological maneuver set to mimic chronic excitotoxicity alter their responses to NMDAR-mediated challenges. These findings suggest the presence of mechanisms providing long-term dynamic regulation of NMDARs that can have critical implications in neurotoxic settings.

Abstract The membrane protein TREM2 (Triggering Receptor Expressed on Myeloid cells 2) regulates key microglial functions including phagocytosis and chemotaxis. Loss-of-function variants of TREM2 are associated with increased risk of Alzheimer’s disease (AD). Because abnormalities in Ca 2+ signaling have been observed in several AD models, we investigated TREM2 regulation of Ca 2+ signaling in human induced pluripotent stem cell-derived microglia (iPSC-microglia) with genetic deletion of TREM2. We found that iPSC-microglia lacking TREM2 (TREM2 KO) show exaggerated Ca 2+ signals in response to purinergic agonists, such as ADP, that shape microglial injury responses. This ADP hypersensitivity, driven by increased expression of P2Y 12 and P2Y 13 receptors, results in greater release of Ca 2+ from the endoplasmic reticulum (ER) stores, which triggers sustained Ca 2+ influx through Orai channels and alters cell motility in TREM2 KO microglia. Using iPSC-microglia expressing the genetically encoded Ca 2+ probe, Salsa6f, we found that cytosolic Ca 2+ tunes motility to a greater extent in TREM2 KO microglia. Despite showing greater overall displacement, TREM2 KO microglia exhibit reduced directional chemotaxis along ADP gradients. Accordingly, the chemotactic defect in TREM2 KO microglia was rescued by reducing cytosolic Ca 2+ using a P2Y 12 receptor antagonist. Our results show that loss of TREM2 confers a defect in microglial Ca 2+ response to purinergic signals, suggesting a window of Ca 2+ signaling for optimal microglial motility.

The central nervous system (CNS) is constantly surveilled by microglia, highly motile and dynamic cells deputed to act as the first line of immune defense in the brain and spinal cord. Alterations in the homeostasis of the CNS are detected by microglia that respond by migrating toward the affected area. Understanding the mechanisms controlling directed cell migration of microglia is crucial to dissect their responses to neuroinflammation and injury. We used a combination of pharmacological and genetic approaches to explore the involvement of calcium (Ca 2+ ) signaling in the directed migration of induced pluripotent stem cell (iPSC)-derived microglia challenged with a purinergic stimulus. This approach mimics cues originating from injury of the CNS. Unexpectedly, simultaneous imaging of microglia migration and intracellular Ca 2+ changes revealed that this phenomenon does not require Ca 2+ signals generated from the endoplasmic reticulum (ER) and store-operated Ca 2+ entry (SOCE) pathways. Instead, we find evidence that human microglial chemotaxis to purinergic signals is mediated by cyclic AMP in a Ca 2+ -independent manner. These results challenge prevailing notions, with important implications in neurological conditions characterized by perturbation in Ca 2+ homeostasis.

Circulating ceramide levels are abnormally elevated in age-dependent pathologies such as cardiovascular diseases, obesity and Alzheimer's disease. Nevertheless, the potential impact of age on plasma ceramide levels has not yet been systematically examined. In the present study, we quantified a focused panel of plasma ceramides and dihydroceramides in a cohort of 164 subjects (84 women) 19 to 80 years of age. After adjusting for potential confounders, multivariable linear regression analysis revealed a positive association between age and ceramide (d18:1/24:0) (β (SE) = 5.67 (2.38); p = .0198) and ceramide (d18:1/24:1) (β (SE) = 2.88 (.61); p < .001) in women, and between age and ceramide (d18:1/24:1) in men (β (SE) = 1.86 (.77); p = .0179). In women of all ages, but not men, plasma ceramide (d18:1/24:1) was negatively correlated with plasma estradiol (r = -0.294; p = .007). Finally, in vitro experiments in human cancer cells expressing estrogen receptors showed that incubation with estradiol (10 nM, 24 h) significantly decreased ceramide accumulation. Together, the results suggest that aging is associated with an increase in circulating ceramide levels, which in post-menopausal women may be at least partially dependent on lower estradiol levels.

Background: preclinical, clinical, and epidemiological evidence support the notion that Alzheimer's disease (AD) is a multifactorial condition in which, along with β-amyloid (Aβ) and tau-related pathology, the synergistic activity of genetic, environmental, vascular, metabolic, and inflammatory factors promote the onset and progression of the disease. Epidemiological evidence indicate that glucose intolerance, deficits in insulin secretion or type 2 diabetes mellitus (T2DM) participate in increasing the risk of developing cognitive impairment or dementia. A pivotal role in the process is played by insulin as the hormone critically regulates brain functioning. GLP-1, the glucagon-like peptide 1, facilitates insulin signaling, regulates glucose homeostasis, and modulates synaptic plasticity. Exenatide is a GLP-1R agonist, characterized by an extended half-life, employed in T2DM. However, exenatide has also been shown to affect the signaling of the brain-derived neurotrophic factor (BDNF), synaptic plasticity, and cognitive performances in animal models of brain aging and neurodegeneration. Methods: In this study, we tested whether exenatide exerts neuroprotection in a preclinical AD model set to mimic the clinical complexity of the human disease. To that aim, we investigated the effects of 3-month exenatide treatment in 3xTg-AD mice challenged for six months with a high-fat diet (HFD). Endpoints of the study were variations in systemic metabolism, insulin and neurotrophic signaling, neuroinflammation, levels of Aβ and tau pathology as well as changes in cognitive performances. Findings and interpretation: results of the study indicate that exenatide reverts the adverse changes of BDNF signaling and the neuroinflammation status of 3xTg-AD mice undergoing HFD.